Волновод

Волново́д — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу.

Полые металлические волноводы прямоугольного сечения с соединительными фланцами

Изогнутый отрезок металлического волновода прямоугольного сечения с соединительными фланцами

По природе распространяющихся волн различают электромагнитные и акустические волноводы. Частным случаем первых являются оптоволоконные линии передачи. Наиболее часто под термином «волновод» подразумеваются металлические трубки, предназначенные для передачи энергии электромагнитных волн диапазонов СВЧ и КВЧ^[1]. Такой волново́д — линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии^[2]. В акустике, волноводами служат рупорные звукоизлучатели музыкальных инструментов и динамиков, а также металлические элементы особой формы, проводящие ультразвук и используемые в ультразвуковой обработке.

Историческая справка

Впервые конструкция для передачи волн была предложена английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 году, а первым её принцип экспериментально проверил английский физик и изобретатель Оливер Лодж в 1894 году. Первым математический анализ хода электромагнитных волн в металлическом цилиндре выполнил британский физик и механик Лорд Рэлей в 1897 году^[3]. В процессе тщательного изучения звуковых волн (поверхностных акустических волн) Лорд Рэлей опубликовал полный математический анализ принципа их распространения в своём фундаментальном исследовании «Теория звука»^[4].

В дальнейшем, в 20-е годы двадцатого века началось изучение диэлектрических волноводов (в том числе и оптических волокон). Несколько учёных, среди которых наиболее известными являлись британский физик и механик Рэлей, немецкий физик-теоретик и математик Зоммерфельд, а также нидерландский физик Дебай^[5]. Фундаментальные исследования привели к тому, что в 1960-е годы оптоволокна стали привлекать к себе особое внимание в связи с открывающимися возможностями их использования для передачи данных и обеспечения связи.

Типы волноводов

Экранированные

Графическое представление напряжённости магнитного поля распространяющейся электромагнитной волны внутри прямоугольного металлического волновода

Экранированные волноводы имеют хорошо отражающие стенки для распространяющейся в нём волны, благодаря чему поток мощности волны сосредоточен внутри волновода. Как правило, такие волноводы выполнены в виде полых или заполненных средой со специально подобранными параметрами трубок. Поперечное сечение этих трубок имеет форму окружности, эллипса, прямоугольника, что связано с большей конструктивной простотой, хотя для специальных целей используются волноводы и с другими формами поперечного сечения. Чтобы волна по мере распространения в волноводе не отражалась в обратном направлении, волновод выполняют регулярным: форма и размеры поперечного сечения, а также физические свойства материалов должны быть постоянны вдоль длины волновода. Поскольку волна отражается от стенок экранированного волновода, то в поперечном направлении возникает стоячая волна с определённым составом мод.

Для передачи электромагнитных волн используются металлические трубки, полые или заполненные диэлектриком. Также используются коаксиальные и многожильные экранированные кабели, которые относят к проводным линиям передачи. Термин «радиочастотный волновод» (англ. radiofrequency guide, обозначение RG) подчёркивает назначение и отличие от проводных линий передачи постоянного тока и тока промышленной частоты, а также от низкочастотных коммуникационных кабелей. Металлические волноводы и коаксиальные кабели со сквозными отверстиями-щелями в экране служат для построения волноводно-щелевых антенн и излучающих кабелей.

К экранированным волноводам относят также акустические волноводы, это трубы с достаточно жёсткими стенками, например, металлические или пластмассовые. В таких волноводах акустические колебания распространяются в газе, наполняющем волновод, как правило, в воздухе. Ранее широко применялись на судах и кораблях под названием «переговорные трубы».

Практически все типы волноводов можно рассматривать как разновидности длинных линий передачи, то есть таких, длина которых существенно превышает длину распространяющейся в них волны.

Неэкранированные

В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред (в волноводах диэлектрических и оптоволоконных световодах), либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал, градиентное оптоволокно). Поле локализуется преимущественно внутри специально предназначенной для этого области поперечного сечения волновода и быстро убывает за пределами этой области. Благодаря этому волна канализируется в волноводе. Открытые планарные волноводы оптического диапазона используются для построения различных интегральных оптоэлектронных устройств.

Акустические открытые волноводы служат основой устройств на поверхностных акустических волнах, в таких волноводах ультразвуковая волна распространяется вдоль границы раздела сред с различными акустическими свойствами.

Свойства волноводов

В волноводах, как в системах с распределёнными параметрами, возможно существование дискретного (при не очень сильном поглощении) набора (ансамбля) типов колебаний (мод), каждый тип колебаний распространяется со своими фазовыми и групповыми скоростями. Все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой ${\displaystyle \omega _{k}}$ , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах ${\displaystyle \omega }$, превышающих ${\displaystyle \omega _{k}}$. Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых ${\displaystyle \omega _{k}=0}$, их называют главными или квазистатическими.

При больших ${\displaystyle \omega }$ волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно может распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в бегущие вдоль волновода сгустки. В предельном случае, в волноводе образуется стоячая волна с узлами и пучностями, например, для акустических волноводов — узлы акустического давления. В узлах стенки можно убрать, заменив сплошную трубу последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы классифицируют как квазиоптические волноводы или квазиоптические линии передачи.

Применение волноводов

Прямоугольные волноводы — гибкий и жёсткий — передают СВЧ-излучение к рупорному облучателю антенны военного радара

Волноводная измерительная линия

Система радиочастотных волноводов ускорителя Арагонской Национальной лаборатории

Волноводный узел с направленным ответвителем — элемент радиолокационной станции управления воздушным движением

Радиочастотные электрические волноводы (к которым относятся коаксиальные кабели, полые металлические волноводы и др.) широко применяются в радиотехнике, в том числе, в средствах радиосвязи, радиолокационных станциях, технике для ускорения элементарных частиц. В бытовой микроволновой печи через полый металлический радиоволновод энергия от магнетрона, являющегося источником электромагнитных волн, поступает в камеру для разогрева.

Оптоволокно, являющееся волноводом для оптического излучения, используют для передачи света и сигналов на дальние расстояния с малой потерей мощности и в широком диапазоне длин волн. Конструктивно схожие с оптоволокном диэлектрические волноводы используются в диапазоне СВЧ.

Акустические волноводы (переговорные трубы) применяются и на современных судах и кораблях, дублируя электронные переговорные устройства при их отказе. Ультразвуковые волноводы на поверхностных акустических волнах, выполненные по интегральной технологии и работающие на частотах в сотни МГц и более, применяются в устройствах функциональной электроники для обработки радиосигналов (задержка, частотная фильтрация, согласованные фильтры, фурье-анализ и др.).

См. также

• Акустический волновод
• Диэлектрический волновод
• Металлический волновод
• Радиоволновод
• Лучевод
• Световод
• Квазиоптика
• Оптическое волокно

Примечания

1. “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms”; 6th ed. New York, N.Y., Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms / ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair). — 1996. — ISBN ISBN 1-55937-833-6.
2. ГОСТ 18238-72. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения.
3. N. W. McLachlan, Theory and Applications of Mathieu Functions, p. 8 (1947) (reprinted by Dover: New York, 1964). (англ.)
4. The Theory of Sound Архивная копия от 6 июля 2014 на Wayback Machine, by J. W. S. Rayleigh, (1894) (англ.)
5. Advanced Engineering Electromagnetics Архивная копия от 14 мая 2009 на Wayback Machine, by C. A. Balanis, John Wiley & Sons (1989). (англ.)

Литература

• Калинин В. А., Лобов Г. Д., Штыков В. В. Радиофизика для инженеров / Под ред. С. И. Баскакова. — М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 130 с. — 500 экз.
• Шаров Г. А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн. — М.: Горячая линия - Телеком, 2015. — 640 с. — 500 экз. — ISBN 978-5-9912-0473-6.